JP6303295B2 - 合成開口レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、仮想的に大型アンテナを使用しているかのような鋭い指向性のビームを作り、高い分解能とノイズの軽減を実現する合成開口レーダ装置に関するものである。

合成開口レーダは、移動しながら繰り返しマイクロ波を照射し、目標物からの反射波の情報をコンピュータ上で合成処理（合成開口）することで、仮想的に大型アンテナを使用しているかのような鋭い指向性のビームを作り、高い分解能とノイズの軽減を実現する（例えば、非特許文献１参照）。
合成開口レーダを移動させるため、一般には、この合成開口レーダは航空機、人工衛星あるいはレールと駆動部等のプラットフォームに搭載される（非特許文献１）。

日本写真測量学会（編）（1998）『合成開口レーダ画像ハンドブック』朝倉書店。

従来の合成開口レーダは、航空機や人工衛星等に搭載して移動しながら観測を行うことにより、仮想的に大型アンテナを使用しているかのような鋭い指向性のビームを作り、高い分解能とノイズの軽減を実現する。
このため、決まった地点を定期的に観測する場合であっても、この合成開口レーダを航空機や衛星等のプラットフォームに搭載する必要があるため、トータルとして高価な設備になるという課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、予め定められた地点を定期的に観測する場合において、高分解能、低ノイズの撮像を、低コストで実現可能な合成開口レーダ装置を提供することを目的とする。

この発明に係る合成開口レーダ装置は、予め定められた対象地点を観測し、移動体である移動目標を画像化する合成開口レーダ装置であって、所定の場所に設けられた設置部に固定され、所定の方向に配列されて前記対象地点に向けて信号を送信し前記対象地点から反射された信号を受信する複数台の送受信アンテナ部と、前記送受信アンテナ部と接続され、各々の前記送受信アンテナ部に対応して設けられた送受信部と、前記送受信部と接続され、各々の前記送受信部の送信タイミングと受信タイミングを制御する制御部と、各々の前記送受信部で受信された信号を保存し、保存した前記信号に基づき従来の合成処理と同じ合成処理により、前記対象地点の前記移動目標の画像再生処理を行うデータ処理部と、を備え、前記制御部は、前記複数台の送受信アンテナ部の配列に従い前記所定の方向に順番に、前記送受信アンテナ部を時間で切換え、切換わった前記送受信アンテナ部に信号の送信動作及び受信動作を実行させる制御を行い、前記制御部が具えるタイミング制御部は、前記移動目標が静止目標とみなすことができる速度で前記送受信アンテナ部を切換え、各々の前記送受信アンテナ部の指向角は個別に制御可能であり、前記送受信アンテナ部が各々、前記対象地点の限定された撮像領域を指向するよう制御される

この発明に係る合成開口レーダ装置によれば、所定の地点を定期的に観測する場合において、従来のように合成開口レーダを搭載するための航空機、人工衛星、あるいはレール及び駆動部等のプラットフォームを用意する必要がなくなる。
これにより、低コストで、かつ、高い分解能と低ノイズの画像を取得可能な合成開口レーダを提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る合成開口レーダ装置の構成を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る合成開口レーダ装置の制御方法を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る合成開口レーダ装置の構成を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る合成開口レーダ装置の構成を説明する図である。 この発明の実施の形態３に係る合成開口レーダ装置の構成を説明する図である。 この発明の実施の形態４に係る合成開口レーダ装置の構成を説明する図である。

実施の形態１．
以下、図を用いて、この発明の実施の形態１に係る合成開口レーダ装置について説明する。
図１は実施の形態１に係る合成開口レーダ装置１００の構成を表した図である。なお、合成開口レーダ装置１００には各種構成が設けられているが、ここではこの発明の要旨とする部分のみについて説明する。

図１において、合成開口レーダ装置１００は、マイクロ波信号（以下「信号」とする）の送受信を行う複数の送受信部１、送受信部１の各々と接続される複数の送受信アンテナ部２、送受信部１や送受信アンテナ２の動作を制御する制御部４、送受信部１で受信したデータを処理して画像を生成するデータ処理部５を備える。

送受信部１は信号を生成する機能を有する。送受信部１は送受信アンテナ部２と接続しており、送受信部１から送信された信号は送受信アンテナ部２を介して空間に放射される。
送受信アンテナ部２から放射され、撮像領域３で反射された信号を再び送受信アンテナ部２を介して、送受信部１で受信する。

ここで、送受信アンテナ部２は偏波を利用できるアンテナであり、制御部４の偏波切り替え部（図示せず）により送受信する信号の偏波を切り替える機能を有する。
また、送受信アンテナ部２は指向角度変更部（図示せず）を備え、送受信アンテナ部２の指向角を可変に設定できて、所望の方向を指向させることができる。

送受信部１は、制御部４及びデータ処理部５と接続している。
制御部４は複数の送受信部１の各々と接続され、タイミング制御部（図示せず）を備えて、複数の送受信部１が各々信号を送信するタイミング及び反射された信号を受信するタイミングの制御を行う。

データ処理部５は送受信部１にて受信された信号を保存する。データ処理部５は、信号処理によりリアルタイムにて画像再生処理を行うことも可能である。

送受信アンテナ部２の各々は取付部６を介して、所定の場所に設けられた設置部７に固定されている。
送受信アンテナ部２は、アジマス方向に複数台が配列される。ここで、アジマス方向とは、従来の合成開口レーダ装置における当該レーダ装置が進行する方向とする。
なお、アジマス方向に配列される送受信アンテナ部２の数は、観測対象である撮像領域３の範囲や、設置部７に取付部６を固定できる領域により決定される。

送受信部１は、アジマス方向に複数台設けられた送受信アンテナ部２毎に設けられており、送受信アンテナ部２と同じ数だけ設置される。また、取付部６は送受信部１と同数ある。

一方、各々の送受信部１と接続される制御部４、および各々の送受信部１と接続されるデータ処理部５は、それぞれ１台でよい。
図１では、一例として、Ｎ台の送受信アンテナ部２とＮ台の送受信部１を備えた合成開口レーダ装置を表している。

次に、本実施の形態に係る合成開口レーダ装置１００の動作について説明する。
制御部４は、まず１番目の送受信部１（図１で、最も左側に設けられた送受信部１を１番目と採番し、右側方向に向けて順に、１番目、２番目、・・・、Ｎ番目とする）の送受信部１に対し、信号を送信する制御を実行する。

制御部４の制御に従い、１番目の送受信部１から送信された信号は、送受信アンテナ部２を介して、空間に放射される。
空間に放射された信号は、撮像領域３にて反射する信号を再び送受信アンテナ部２を介して送受信部１で受信される。
前述の１番目の送受信部１で受信した受信信号は、送受信部１からデータ処理部５へと出力され、データ処理部５に保存される。
データ処理部５は、各送受信部が受信し保存した受信信号を用いて、画像再生処理が実施する。

１番目の送受信部１の一連の動作、すなわち、信号の送信、反射信号の受信、データ処理部５への受信信号の保存の動作が終了すると、次に、制御部４は、隣接する２番目の送受信部１から信号を送信するように制御する。
制御部４により送信タイミングを制御された２番目の送受信部１は、先の１番目の送受信部１による送受信に係る一連の動作と同じ動作を実行する。

同様にして、以下、制御部４は、３番目以降の送受信部１に対して、信号の送信、反射信号の受信、データ処理部５への受信信号の保存の動作を実行する制御を行う。

送受信タイミングの制御の切替えは、１番目、２番目、３番目、・・・、Ｎ番目と順次実行される。例えば、データ処理部５が送受信部１から受信した受信信号の保存を完了すると、データ処理部５は、保存完了の信号を制御部４に送信し、保存完了の信号を受信した制御部４は、隣接する次の送受信部１に対して信号の送信を開始する制御を行う。あるいは、制御部４は送受信部１が撮像領域３からの反射信号を受信したタイミングで、隣接する送受信部１に対して信号の送信を開始する制御を行うようにしてもよい。

図２は、Ｎ個の送受信部１を備えた合成開口レーダ装置１００において、送受信タイミングを制御された送信信号８および受信信号９を模擬した図である。

このように、アジマス方向に配列された送受信アンテナ部２の各々の送受信の動作を時間で切替えることにより、従来のように合成開口レーダ自体をアジマス方向に移動させることなく、従来の合成開口レーダと等価の信号を得ることができる。
データ処理部５は、時間を切り替えて動作する送受信部１から受信した信号を用いて、従来の合成開口レーダのときと同様の合成処理を行うことにより撮像領域３の画像を生成する。

以上のように、本実施の形態に係る合成開口レーダ装置は、従来のような合成開口レーダを搭載するための航空機、人工衛星、あるいはレール及び駆動部等のプラットフォームを使用することなく、従来の合成開口レーダと同等の高分解能、低ノイズの画像を取得でき、合成開口レーダ装置の低コスト化を実現できる。

なお、送信タイミングをずらすことにより各送受信部１で受信される信号の区別化を実現しており、すなわち、送受信部１間で異なる信号を利用する必要はなく、同一の信号を生成する機能を有する送受信部１でもよい。

また、本実施の形態に係る合成開口レーダ装置によれば、送受信タイミングの切り替えに関し、高速に実施することで、等価的に移動目標を静止目標と見なすことが可能となり、撮像対象が移動体であっても移動目標をぼかさず、精密に画像化することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、送受信アンテナ部２の各々の指向角を指定していないが、実施の形態２では、各送受信アンテナ部２の指向角を個別に制御できる構成とする。

図３は、実施の形態２に係る合成開口レーダ装置１０１の構成を説明する図である。本実施の形態では、送受信アンテナ部２を取り付ける取付部６として、角度調整が可能な取付部を用いる。
これにより、例えば図３に示すように、１番目〜Ｎ番目の送受信アンテナ部２の各々が、限定された撮像領域３を見続ける信号を得ることができる。

このように実施の形態２では、送受信アンテナ部２の指向角を制御可能とすることで、アジマス方向の観測幅が短くなる代わりに、アジマス方向の分解能を高分解能化することができる。

また、実施の形態２の別の運用として、図４のように、取付部６の角度調整により送受信アンテナ部２の指向角をレンジ方向に変更するようにしてもよい。

この場合、レンジ方向の分解能が低下する代わりにレンジ方向の観測幅を拡げることができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、送受信アンテナ部２をアジマス方向に配列する構成としたが、実施の形態３では、送受信アンテナ部２を高さ方向に異なる位置にも配列する構成とする。

図５は、実施の形態３に係る合成開口レーダ装置１０２の構成を説明する図である。本実施の形態では、送受信アンテナ部２をアジマス方向と共に高さ方向にも異なる位置に配列する。
この構成とすることにより、同一の撮像領域に対して異なる視線方向の信号を得ることができるので、高さ方向の情報も得ることができる。

なお、制御部４による送受信タイミングの制御の切替えは、上記実施形態１で示した１番目、２番目、３番目、・・・、N番目に限らず、１番目、N+１番目、２番目、N+２番目、３番目、・・・、N番目、２N番目としても良い。

実施の形態４．
実施の形態１〜４では、合成開口レーダ装置１００〜１０２の各々において送受信部１が複数台備わる構成としたが、送受信部１を一つとする構成としてもよい。
図６は、実施の形態４に係る合成開口レーダ装置１０３の構成を説明する図である。本実施の形態では、送受信部１を１台とし、１台の送受信部１と複数台の送受信アンテナ部２とを接続するようにした。
これにより合成開口レーダ装置の構成機器を減らして、コストの低減と小型化を図ることができる。

以上説明したような本発明によれば、決まった地点を定期的に観測する場合、従来の合成開口レーダと異なりプラットフォームを必要とせず、あらかじめ所定の位置に設置されるため、低コストかつ低コスト運用を実現した合成開口レーダ装置の提供が可能となる。 また、観測対象が移動体の場合であっても画像ぼけを抑えた高分解能画像を得ることが可能なため、たとえば土砂崩れ等の変位が予想される自然現象の監視や、車両のモニタリングにおいて効果を発揮する。

１ 送受信部、２ 送受信アンテナ部、３ 撮像領域、４ 制御部、５ データ処理部、６ 取付部、７ 設置部、８ 送信信号、９ 受信信号、１００〜１０３ 合成開口レーダ装置。

Claims (4)

1. 予め定められた対象地点を観測し、移動体である移動目標を画像化する合成開口レーダ装置であって、
   所定の場所に設けられた設置部に固定され、所定の方向に配列されて前記対象地点に向けて信号を送信し前記対象地点から反射された信号を受信する複数台の送受信アンテナ部と、
   前記送受信アンテナ部と接続され、各々の前記送受信アンテナ部に対応して設けられた送受信部と、
   前記送受信部と接続され、各々の前記送受信部の送信タイミングと受信タイミングを制御する制御部と、
   各々の前記送受信部で受信された信号を保存し、保存した前記信号に基づき従来の合成処理と同じ合成処理により、前記対象地点の前記移動目標の画像再生処理を行うデータ処理部と、を備え、
   前記制御部は、前記複数台の送受信アンテナ部の配列に従い前記所定の方向に順番に、前記送受信アンテナ部を時間で切換え、切換わった前記送受信アンテナ部に信号の送信動作及び受信動作を実行させる制御を行い、
   前記制御部が具えるタイミング制御部は、前記移動目標が静止目標とみなすことができる速度で前記送受信アンテナ部を切換え、
   各々の前記送受信アンテナ部の指向角は個別に制御可能であり、前記送受信アンテナ部が各々、前記対象地点の限定された撮像領域を指向するよう制御されることを特徴とする合成開口レーダ装置。
2. 前記送受信アンテナ部は指向角度変更部を備え、
   前記指向角度変更部は、前記前記送受信アンテナ部の指向角を可変に設定することを特徴とする請求項１記載の合成開口レーダ装置。
3. 前記移動目標は車両であることを特徴とする請求項１、２いずれか記載の合成開口レーダ装置。
4. 前記移動目標は土砂の変位であることを特徴とする請求項１、２いずれか記載の合成開口レーダ装置。

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